[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Klassifizierung von digital modulierten
Signalen.
[0002] Zur Analyse unbekannter Signale ist es bekannt, mittels einer FFT (Fast-Fourier-Transformation)
zunächst ein Leistungsspektrum zu schätzen und anschließend signifikante Spektralanteile
mittels eines automatischen Modulationsartenerkenners zu analysieren. Der automatische
Modulationsartenerkenner verwendet dabei keine Informationen über für bestimmte Modulationsarten
charakteristische Signalparameter. Es muß daher aus dem empfangenen Signal in einem
aufwendigen Verfahren eine Blindentzerrung durchgeführt werden. Die blinde Entzerrung
des empfangenen Signals ist erforderlich, um aus dem Signal die informationstragenden
Parameter Phase und Betrag ermitteln zu können. Zum Klassifizieren des Signals werden
die spektralen Informationen ausgewertet.
[0003] In der
US 6,690,746 B1 ist es vorgeschlagen, einen Signalklassifikator zu verwenden, der mehrere Module
enthält. Diese einzelnen Module sind verschiedenen Modulationsarten zugeordnet, so
dass jedes der Module das ankommende Signal ausschließlich im Hinblick auf diese Modulationsart
auswertet. Die zur Demodulation eines eingehenden Signals erforderlichen Parameter
werden dabei innerhalb eines jeden Moduls aus dem unbekannten Eingangssignal ermittelt.
[0004] Bei dem bekannten Verfahren ist es nachteilig, daß die Detektionssicherheit in einem
solchen einstufigen Verfahren, bei dem alle Informationen ohne Vorkenntnisse direkt
aus dem empfangenen Signal zu bestimmen sind, gering ist.
[0005] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren sowie ein entsprechendes
Computerprogramm-Produkt und ein Computerprogramm zu schaffen, bei dem die Klassifizierung
unbekannter Signale mit einer höheren Detektionssicherheit möglich ist.
[0006] Die Aufgabe wird durch das Verfahren mit den Merkmalen nach Anspruch 1 sowie das
Computerprogramm-Produkt nach Ansprüchen 16 und 17 und das entsprechende Computerprogramm
nach Anspruch 18 gelöst.
[0007] Erfindungsgemäß erfolgt die Klassifizierung eines unbekannten Signals in zwei aufeinanderfolgenden
Auswertestufen. Zunächst wird ein digital moduliertes Signal empfangen. Aus dem empfangenen
Signal wird ein komplexes Basisbandsignal erzeugt. Auf Basis des komplexen Basisbandsignals
erfolgt dann in einer ersten Auswertestufe eine Vorklassifizierung des Signals. Zu
dieser Vorklassifizierung wird das komplexe Basisbandsignal im Frequenzbereich analysiert.
Das Ergebnis dieser Vorklassifizierung wird einer zweiten Auswertestufe zugrundegelegt.
In der zweiten Auswertestufe wird auf Basis der Ergebnisse der ersten Auswertestufe
entweder das Basisbandsignal noch einmal spektral analysiert, wobei Vorkenntnisse
über das am wahrscheinlichsten verwendete Modulationsverfahren verwendet werden, oder
alternativ oder ergänzend hierzu wird in der zweiten Auswertestufe das komplexe Basisbandsignal
im Zeitbereich analysiert. Auch bei der Analyse im Zeitbereich werden die Ergebnisse
der Auswertung in der ersten Auswertestufe berücksichtigt, so daß eine gezielte Analyse
des komplexen Basisbandsignals im Zeitbereich im Hinblick auf das als Ergebnis der
Vorklassifizierung erkannte Modulationsverfahren durchgeführt wird.
[0008] In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
ausgeführt.
[0009] Insbesondere ist es vorteilhaft, eine Kreuzkorrelation des Symbolstroms des empfangenen
Signals mit einem komplexen Referenzsymbolstrom durchzuführen. Der komplexe Referenzsymbolstrom
ist für verschiedene Übertragungssysteme bekannt, so daß aus dem Ergebnis der Kreuzkorrelation
das Auftreten des entsprechenden Symbolstroms in dem empfangenen Signal gezielt ermittelt
wird. Bei einer Übereinstimmung der beiden Symbolströme läßt sich mit hoher Sicherheit
das empfangene Signal einem bestimmten Übertragungssystem und damit einer Modulationsart
zuordnen.
[0010] Zur genaueren Analyse des empfangenen Signals ist es weiterhin vorteilhaft, zunächst
aus einem Momentanwert des komplexen Basisbandsignals im Zeitbereich eine Symbolrate
zu bestimmen. Zur Bestimmung der Symbolrate ist es besonders vorteilhaft, eine Regressionsanalyse
zu verwenden, so daß die Symbolrate aus einer Vielzahl von Einzelwerten ermittelt
werden kann. Die Regressionsanalyse erlaubt damit eine präzise Ermittlung der Symbolrate.
[0011] Das erfindungsgemäße Verfahren ist in der Zeichnung dargestellt und wird in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
- Fig. 1
- ein Blockschaltbild zur Verarbeitung eines empfangenen Signals bei der Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens;
- Fig. 2
- eine schematische Darstellung der Auswertestufen des erfindungsgemäßen Verfahrens;
- Fig. 3
- eine schematische Darstellung zum Ablauf einer Symbolratenbestimmung mittels des erfindungsgemäßen
Verfahrens;
- Fig. 4
- Beispieldiagramme zur Bestimmung unterschiedlicher PSK-Modulationsarten durch kohärente
Demodulation;
- Fig. 5
- eine schematische Darstellung der Klassifizierung aufgrund bekannter Symboldaten und
- Fig. 6
- ein Diagramm zur Auswertung der Linien nach einer Auto- bzw. Kreuzkorrelation.
[0012] In Fig. 1 ist zunächst eine Übersicht zur Verarbeitung eines unbekannten Signals
bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Ein digital moduliertes
Signal 1 wird zunächst durch eine Empfangseinheit 2 empfangen. Durch Mischen des Signals
1 mit einer Frequenz, die durch den lokalen Oszillator 3 erzeugt wird, wird in dem
Mischer 4 das empfangene Signal 1 auf eine Zwischenfrequenz gemischt. Das Zwischenfrequenzsignal
wird einem Analog-/Digital-Wandler 5 zugeführt, der das Signal abtastet. Die Abtastfrequenz
des Analog-/Digital-Wandlers 5 ist vorzugsweise mindestens das Achtfache der Signalbandbreite.
Das unterabgetastete Zwischenfrequenzsignal wird einem Tiefpaßfilter 6 zugeführt.
Am Ausgang des Tiefpaßfilters 6 steht daher für die weitere Verarbeitung ein komplexes
Basisbandsignal 11 zur Verfügung.
[0013] Das komplexe Basisbandsignal 11 ist ein Signal unbekannter, digitaler Modulationsart,
für das nachfolgend in einem zweistufigen Verfahren die verwendete Modulationsart
bestimmt wird. Hierzu wird das komplexe Basisbandsignal in einer ersten Auswertestufe
einer ersten Verarbeitungseinheit 7 ausgewertet. Die Ergebnisse der ersten Auswertestufe
und das komplexe Basisbandsignal 11 werden einer zweiten Verarbeitungseinheit 8 zur
Durchführung der zweiten Auswertestufe zugeführt. Nach der Durchführung der zweiten
Auswertestufe steht das klassifizierte Signal zur weiteren Analyse zur Verfügung,
wobei zu diesem Zeitpunkt mit einer hohen Detektionssicherheit die für das empfangene
Signal 1 verwendete Modulationsart bestimmt ist.
[0014] Anhand der Fig. 2 soll die zweistufige Auswertung erläutert werden. Die Ergebnisse
der Vorklassifizierung sowohl der ersten Auswertestufe als auch der Klassifizierung
der zweiten Auswertestufe werden einer Auswerteeinheit 9 zugeführt. Zur Vorklassifizierung
wird zunächst das komplexe Basisbandsignal 11 in einem ersten Auswerteblock 10, der
der Verarbeitungseinheit 7 der Fig. 1 entspricht, zugeführt. In dem ersten Auswerteblock
10 werden das lineare Spektrum sowie höherwertige Spektren aus dem komplexen Basisbandsignal
11 berechnet. Hierzu wird aus dem komplexen Basisbandsignal 11 mit Trägerfrequenz
0 Hz zunächst das lineare Spektrum, z.B. mittels Fast-Fourier-Transformation (FFT),
berechnet. Als höherwertige Spektren werden das einfach komplexquadrierte und das
zweifach komplexquadrierte Spektrum berechnet. Zudem wird das Spektrum des Betragsquadrates
und ein weiteres Spektrum nach einer Verzögerung sowie einer Multiply-Operation berechnet.
Es stehen somit insgesamt fünf Spektren zur Verfügung, die sämtlich in dem ersten
Auswerteblock 10 ermittelt werden.
[0015] In den einzelnen Spektren ergeben sich charakteristische Linien, aus denen auf bestimmte
Modulationsverfahren geschlossen werden kann. Allerdings ist eine Auswertung allein
aufgrund der Linien in den einzelnen Spektren lediglich mit einer begrenzten Sicherheit
möglich. Grundsätzlich kann in der Vorklassifikation zwischen folgenden Modulationsarten
unterschieden werden: ASK2, FSK, MSK, PSK2-A, PSK2-B, PSK4-A, PSK4-B und 0-QPSK. Zudem
wird bereits in der Vorklassifikation bei linearen Modulationsverfahren eine Symbolrate
bestimmt. Die ermittelten Werte werden der Auswerteeinheit 9 zugeführt, und dort zwischengespeichert.
Neben den erkannten Parametern, wie beispielsweise der Symbolrate und der Signalbandbreite,
wird für die erkannte Modulationsart auch eine Wahrscheinlichkeit angegeben, mit der
diese Modulationsart zutreffend ist (Konfidenz). Aufgrund der begrenzten Analysemöglichkeiten
aus den berechneten Spektren ist die Konfidenz des Ergebnisses der Vorklassifikation
nicht ausreichend, um eine weitere Auswertung des empfangenen Signals 1 allein aufgrund
dieser Information durchführen zu können.
[0016] Um eine höhere Sicherheit bei der Klassifizierung des empfangenen Signals zu erreichen,
wird ausgehend von den Ergebnissen der Vorklassifizierung in einer zweiten Auswertestufe
eine Bestätigung dieses Ergebnisses durchgeführt. Das weitere Vorgehen ist dabei abhängig
von der in der Vorklassifizierung erkannten Modulationsart.
[0017] Wird in der Vorklassifizierung als Ergebnis eine der Modulationsarten ASK, FSK oder
PSK ermittelt, so wird als zweite Auswertestufe eine Auswertung im Zeitbereich vorgenommen,
wobei für diese Auswertung keine Kenntnisse über bestimmte Parameter der entsprechenden
Modulationsart vorliegen müssen.
[0018] Hierzu sind weitere Auswerteblöcke 12 bis 14 vorgesehen, die zusammen mit dem ersten
Auswerteblock 10 eine erste Gruppe von Auswerteblöcken 18 bilden, bei denen eine Auswertung
ohne Vorkenntnisse über bestimmte Parameter des Modulationsverfahrens durchgeführt
wird.
[0019] Eine zweite Gruppe 19 wird aus den Auswerteblöcken 15 bis 17 gebildet. Die Auswerteblöcke
15 bis 17 dienen der Durchführung der Auswertung des komplexen Basisbandsignals 11
in der zweiten Auswertestufe, wenn durch die Vorklassifizierung in dem ersten Auswerteblock
10 ein PSK/QAM, ein Simplex-ARQ oder ein Multitone-Verfahren zur Modulation des empfangenen
Signals 1 erkannt wurde. Die zweite Gruppe 19 verwendet bei ihrer Auswertung des komplexen
Basisbandsignals 11 Vorkenntnisse über charakteristische Parameter der verwendeten
Modulationsart. Solche Parameter können z.B. bestimmte Symbolfolgen sein, die typischerweise
beim Senden eines mit einem bestimmten Modulationsverfahren modulierten Signals gesendet
werden.
[0020] Während die erste Auswertestufe allein durch den ersten Auswerteblock 10 durchgeführt
wird, in der eine Vorklassifizierung des komplexen Basisbandsignals 11 durchgeführt
wird, kann die Auswertung des komplexen Basisbandsignals in den zweiten bis vierten
Auswerteblöcken 12, 13, 14 und/oder in den fünften bis siebten Auswerteblöcken 15,
16, 17 durchgeführt werden. Dabei stehen lediglich zur Auswertung in den Auswerteblöcken
15 bis 17 Vorkenntnisse über die Modulationsverfahren zur Verfügung.
[0021] Am Beispiel eines in der Vorklassifizierung als FSK (
Frequency
Shift
Keying)-Signal erkannten Signals, wird nachfolgend beispielhaft die Analyse des komplexen
Basisbandsignals 11 im Zeitbereich durch den dritten Auswerteblock 13 erläutert.
[0022] Eine schematische Darstellung ist hierzu in der Fig. 3 dargestellt. Um zur weiteren
Analyse des empfangenen Signals eine synchrone Auswertung zu ermöglichen, müssen die
Abtastzeitpunkte exakt bestimmt werden. Zunächst ist hierzu die Bestimmung der Symbolrate
erforderlich. Da im Leistungsspektrum eines demodulierten FSK-Signals eine Auswertung
der Spektrallinien nicht möglich ist, muß zur Ermittlung der Symbolrate eine nichtlineare
Operation durchgeführt werden. Bei realen Signalen sind die Übergänge zwischen den
einzelnen Frequenzniveaus des FSK-Signals aufgrund des Signalrauschens und der Basisbandfilterung
nicht scharf genug ausgebildet, um eine mathematische Differenzierung durchführen
zu können.
[0023] Erfindungsgemäß wird daher anstelle der Differenzierung eine Differenzwertbildung
mit einer Verzögerung durchgeführt. In einem ersten Verfahrensschritt 20 wird hierzu
aus dem komplexen Basisbandsignal 11 für verschiedene Zeitpunkte der momentane Frequenzwert
ermittelt. Aus diesen Momentanfrequenzwerten wird in einem zweiten Schritt 21 ein
Differenzwert zwischen einem bestimmten Momentanwert und einem hierzu verzögert liegenden
Momentanwert berechnet. Die ideale Verzögerung würde dabei der halben Symbolrate entsprechen.
Da die Symbolrate unbekannt ist, muß mit einem Schätzwert für die Verzögerung gearbeitet
werden. Ein solcher Schätzwert wird aus der Bandbreite ermittelt. Die Bandbreite (Bw)
eines FSK-Signals ergibt sich grob als

[0024] K ist dabei ein Faktor, der zwischen 1 und 2 liegt. "Shift" gibt den Unterschied
zwischen den beiden Frequenzniveaus an. Für die Verzögerung kann damit ein ungefährer
Wert angegeben werden, der sich zu

ergibt. Idealerweise werden durch diese Verzögerung die Maxima bzw. Minima des zeitlichen
Frequenzverlaufs zur Differenzwertbildung gefunden. Nachdem für alle Momentanfrequenzen
auf diese Weise Differenzfrequenzen ermittelt wurden, wird in einem dritten Schritt
22 der Betrag der Differenzwerte genommen, um hieraus anschließend eine Symboltaktlinie
erzeugen zu können. Die Betragsbildung ist erforderlich, da in Abhängigkeit von der
Richtung des Frequenzsprungs auch negative Differenzwerte auftreten können. Nach der
Bildung des Betrags in dem dritten Schritt 22 wird in einem vierten Schritt 23 eine
FFT durchgeführt, aus der sich im fünften Schritt 24 die Symbolrate mit einer ersten
Genauigkeit bestimmt.
[0025] Um eine synchrone Abtastung zu gewährleisten, ist es erforderlich, neben der Symbolrate
auch einen Phasen-Offset exakt zu bestimmen. Hierzu wird ausgehend von der Symbolrate,
die mit einer ersten Genauigkeit bestimmt wurde, eine Symbolrate mit einer zweiten,
höheren Genauigkeit bestimmt. Gleichzeitig mit der Bestimmung der genaueren zweiten
Symbolrate wird mit Hilfe einer Regressionsauswertung, die zum Bestimmen der genaueren
zweiten Symbolrate durchgeführt wird, auch der Phasen-Offset bestimmt. Die mit Hilfe
der Regressionsauswertung bestimmte genauere zweite Symbolrate hängt nicht mehr wie
die Symbolrate erster Genauigkeit von der gewählten FFT-Auflösung ab.
[0026] In dem fünften Schritt 24 wird die Symbolrate mit einer ersten Genauigkeit bestimmt,
indem durch das durch die FFT ermittelte Frequenzspektrum die am stärksten vertretene
Linie ausgewählt wird. Die Frequenz dieser Linie entspricht der Symbolrate erster
Genauigkeit.
[0027] Bevor mit Hilfe der Regressionsanalyse die Symbolrate mit höherer Genauigkeit und
der Phasen-Offset bestimmt werden können, muß zunächst sichergestellt werden, daß
das demodulierte Signal keinen oder einen in Relation zur Frequenz-Shift sehr geringen
Frequenz-Offset aufweist. Dies kann erreicht werden, indem das Basisbandsignal 11
mit Hilfe eines Mittelwertfilters 25, z.B. ein sinX/X-Filter gebildet wird. Diese
Tiefpaßfilterung wird vorzugsweise mit einem FIR-Filter mit einem konstanten Koeffizienten
realisiert. Der Koeffizient entspricht dem Kehrwert der Filterlänge (1/FLen). Die
Filterlänge ist dabei definiert als
fSamp ist die Abtastfrequenz und
SRGrob die erste, grob ermittelte Symbolrate. Der Parameter D ist ein empirisch bestimmter
Wert aus einem von 0,5 bis 1,0 reichenden Intervall. Die Filterung erfolgt in einem
Tiefpaßfilter 25.
[0028] Nachdem das komplexe Basisbandsignal 11 in dem Tiefpaßfilter 25 gefiltert wurde,
werden die Nulldurchgänge des Basisbandsignals 11 detektiert, also diejenigen Stellen
auf der Zeitskala ermittelt, zu denen ein Wechsel der Frequenzen und damit ein Symbolwechsel
erfolgt. Aus der zeitlichen Länge eines bestimmten Symbols wird nun zusammen mit der
zuvor ermittelten Symbolrate eine zu der ermittelten zeitlichen Symbollänge korrespondierende
Anzahl von Bits bestimmt.
[0029] Zur Bestimmung der Regressionsgeraden wird zunächst die Anzahl der Abtastwerte pro
Symbol ermittelt. Die Abtastfrequenz selbst
fSamp ist bekannt und auch die Symbolrate
SRGrob wurde bereits ermittelt. Daher ergibt sich die Anzahl der Abtastwerte für ein Symbol
zwischen zwei Symbolwechseln zu

[0030] Mit Hilfe der so ermittelten Werte wird anschließend eine Regressionsanalyse 27 durchgeführt.
Zum Bestimmen der Regressionsgeraden wird in einem XY-Diagramm die X-Achse durch den
Signalbitwert, also die Anzahl der zu einer Symbollänge korrespondierenden Bits, festgelegt.
Auf dieser X-Achse wird die Anzahl der Bits eines Symbols zwischen zwei Symbolwechseln,
die zuvor berechnet wurde, als unabhängige Variable aufgefaßt. Auf der Y-Achse wird
die entsprechende Symbollänge als Zeitdauer, die zuvor aus den Nulldurchgängen des
Basisbandsignals bestimmt wurde, aufgetragen. Die sich so ergebenden Punkte in dem
XY-Diagramm werden mit Hilfe einer Regressionsgeraden genähert. Die Regressionsgerade
liefert damit einen genaueren Wert für die Symbolrate und den Phasen-Offset zum optimalen
Abtastzeitpunkt. Gemäß der Geradengleichung

bildet der Y-Abschnitt a der Geradengleichung den Phasen-Offset und die Steigung
b der Geraden den optimalen Schätzwert für die Symbolrate.
[0031] Rechnerisch ergibt sich der Y-Abschnitt a zu

[0032] Die Steigung der Geraden b ergibt sich rechnerisch zu

[0033] Dabei ist x
n die geschätzte Anzahl der Bits pro Symbollänge und y
n die Symbollänge in Zeiteinheiten. N ist die Summe der Werte, aus denen die Regressionsgerade
bestimmt wird.
[0034] Nachdem die Steigung der Regressionsgeraden durch die Regressionsanalyse 27 bestimmt
wurde, läßt sich nun in einfacher Weise die Symbolrate mit einer zweiten, höheren
Genauigkeit bestimmen. Diese Symbolrate mit höherer Genauigkeit
SRFein ergibt sich dabei zu

[0035] Nachdem auf diese Weise sowohl der Offset als auch die Symbolrate mit einer erheblichen
Genauigkeit festgestellt wurden, wird das komplexe Basisbandsignal 11 nach der Tiefpaßfilterung
durch den Tiefpaß 25 zeitrichtig abgetastet. Das Ergebnis dieser Abtastung wird in
einem Histogramm 28 der Frequenz aufgetragen. Die Anpassung des Histogramms erfolgt
dabei auf den größtmöglichen Frequenz-Shift. Das so erhaltene Histogramm 28 kann dann
mit bekannten Methoden zur Mustererkennung oder einem neuronalen Netz weiter ausgewertet
werden.
[0036] Bei dem in Fig. 3 dargestellten und ausführlich erläuterten Ausführungsbeispiel wird
als Momentanwert die Momentanfrequenz bei einem FSK-Modulationsverfahren herangezogen.
Ebenso ist jedoch die Verwendung anderer Momentanwerte denkbar. Beispielsweise kann
bei einem ASK-Verfahren die Momentanamplitude oder bei einem PSK-Verfahren die Momentanphase
in entsprechender Weise ausgewertet werden.
[0037] Bei digital modulierten Signalen wird zur Überprüfung des korrekten Empfangs durch
einen Empfänger ein sogenanntes ARQ-Verfahren verwendet. Diese ARQ (Automatic Repeat
Request)-Verfahren führen dazu, daß ein Signal in aufeinanderfolgenden Bursts gesendet
wird, wobei zwischen den einzelnen Bursts Signalpausen entstehen. Diese Signalpausen
werden durch den Empfänger genutzt, um seinerseits eine Rückmeldung über die korrekte
Auswertung des vorangegangenen empfangenen Bursts zu senden. Diese Signalpausen reduzieren
die Genauigkeit, mit der mit Hilfe der Regressionsanalyse die Symbolrate sowie der
Phasen-Offset bestimmt werden können. Bei der Regressionsauswertung sollen daher die
Signalpausen unberücksichtigt bleiben.
[0038] Mit Hilfe einer Autokorrelation des komplexen Basisbandsignals 11 können Signalperioden
bekannter Verfahren erkannt werden. Bevor die Autokorrelation durchgeführt werden
kann, müssen die Flanken der Symbolwechsel in dem komplexen Basisbandsignal 11 detektiert
werden. Die anschließend durchgeführte Korrelation ergibt Korrelationsmaxima, deren
Lage typisch für bestimmte Übertragungsverfahren ist. Mit Hilfe der Information über
das verwendete Verfahren ist eine gezielte Rahmensynchronisation möglich. Durch die
Rahmensynchronisation können somit gezielt diejenigen Anteile eines empfangenen Signals
untersucht werden, in denen tatsächlich ein Signal und nicht eine Signalpause vorhanden
ist. Damit werden Störanteile für die Regressionsanalyse unterdrückt.
[0039] Eine Bestimmung der Symbolrate sowohl des Phasen-Offsets mit der zu Fig. 3 erläuterten
Methode ist für höherwertige FSK-Verfahren störanfällig. Auf die genaue Bestimmung
der Symbolrate mit Hilfe der Regressionsanalyse wird im Fall von Multitone-Signalen
daher verzichtet. Statt dessen wird in diesem Fall lediglich die Bestimmung der ersten
Symbolrate mit einer niedrigeren Genauigkeit gemäß den Verfahrensschritten 21 bis
24 durchgeführt. Um dabei die Frequenzauflösung flexibel wählen zu können, wird anstelle
einer FFT in Verfahrensschritt 23 ein Goertzel-Algorithmus verwendet, bei dem die
Frequenzauflösung flexibler gewählt werden kann. Das mit Hilfe des Goertzel-Algorithmus
berechnete Spektrum wird dann mit bekannten spektralen Merkmalen höherwertiger FSK-Verfahren
verglichen. Da sich für höherwertige FSK-Verfahren charakteristische Spektren ergeben,
ist eine Grobbestimmung der Symbolrate in diesem Fall ausreichend, um eine Zuordnung
zu einer bekannten Modulationsart zu treffen.
[0040] Wie es bereits bei der Erläuterung der Vorklassifizierung ausgeführt wurde, gibt
es zwei unterschiedliche Varianten der Phasenmodulation. Die unterschiedlichen Verfahren
werden als A- und B-Varianten bezeichnet. Bei allen Verfahren, die eine taktphasen-
und trägerphasenkompensierte Abtastfolge voraussetzen, muß daher auch die Variante
A oder B bestimmt werden. Dabei entsteht das Problem, daß, im Gegensatz zu der A-Variante,
bei der Phasensprünge mit den Werten

auftreten, bei jedem Sprung ein fester Phasenversatz hinzukommt. Für die Variante
B ergeben sich daher die möglichen Phasensprünge zu

Für beide Varianten kann der Faktor i Werte aus einem Intervall von 0 bis M-1 annehmen.
Für eine Weiterverarbeitung des Signals muß eine Frequenzverstimmung zwischen Emitter
und Empfänger kompensiert werden. Hierzu werden Differenzphasenwerte gebildet. Bei
der Kompensation der Frequenzverstimmung mittels der Differenzphasenwerte passiert
es jedoch, daß die zusätzliche feste Phasenverschiebung bei der B-Variante der Frequenzverstimmung
zuerkannt wird. Um dies zu erkennen, werden zwei Analyseschritte durchgeführt. Die
Ergebnisse der beiden Analyseschritte werden anschließend miteinander verglichen.
[0041] In einem ersten Schritt werden die Differenzphasen aufeinanderfolgender Symbole eines
demodulierten komplexen Basisbandsignals 11 in einem I/Q-Diagramm 29 und einem Phasen-Histogramm
30 aufgetragen. Das I/Q-Diagramm kann mit den Methoden der Clusteranalyse oder das
Histogramm kann mit bekannten Methoden der Mustererkennung oder einem neuronalen Netz
weiter ausgewertet werden. Für eine kohärente Auswertung muß eine Trägerphasenkompensation
durchgeführt werden. Aufgrund der Ergebnisse der Vorklassifizierung kann auf bestimmte
Modulationsverfahren und deren Ordnung geschlossen werden. Damit können die bekannten
Algorithmen "Non-Data Aided" (NDA) oder die "Decision Directed" (DD) zur Trägerphasenschätzung
verwendet werden. Bei der DD-Methode werden die Datensymbole geschätzt und diese Schätzung
mit in die Ermittlung der Trägerphase eingebracht. Ein Beispiel für die DD-Methode
ist die Costal Loop und für die NDA-Methode der Nth-Power-Algorithmus.
[0042] Der Schätzalgorithmus im Falle einer DD-Methode für die zu bestimmende Trägerphase
θ ist

wobei ĉ
k das geschätzte k-te Symbol ist und L die Anzahl der Symbolwerte des Empfangssignalvektors
r ist. Da der Konstellationsraum um den gesuchten Phasenwinkel gedreht ist, muß für
eine sinnvolle Symbolschätzung ein iterativer Ansatz gewählt werden. Hierbei ergibt
sich der k+1-te Iterationsschritt aus dem k-ten Schritt, korrigiert um einen Fehlerterm
γ
e(
k).

[0043] Der Fehlervektor e ergibt sich dabei aus der Ableitung der Log-Likelihood-Funktion
und (aufgrund des iterativen Ansatzes) der Elimination der Summe:

[0044] In einem zweiten Schritt wird das trägerfrequenzkompensierte Basisbandsignal in einem
I/Q-Diagramm 31 und einem Phasenhistogramm 32 aufgetragen. Das I/Q-Diagramm kann mit
den Methoden der Clusteranalyse oder das Histogramm kann mit bekannten Methoden der
Mustererkennung oder einem neuronalen Netz weiter ausgewertet werden.
[0045] Das in Fig. 4 angegebene Beispiel zeigt eine Pi/4-DQPSK (entspricht PSK4B-Variante)
mit nicht-kohärenter und kohärenter (Costas Loop)-Demodulation.
[0046] Im Gegensatz zur PSK-Ordnung, die sich aus dem Diagramm 30 der nicht-kohärenten Demodulation
ergibt, ist die PSK-Ordnung, wie sie sich aus dem Diagramm 32 bei der kohärenten Demodulation
des Signals ergibt, acht. Diese beiden Ordnungen der nichtkohärenten und der kohärenten
Demodulation werden nun miteinander verglichen. Ist zwischen den PSK-Ordnungen bei
kohärenter Auswertung und nichtkohärenter Auswertung ein Faktor 2 feststellbar, so
handelt es sich um eine B-Variante der Phasenmodulation.
[0047] Durch das Zusetzen der Trägerphase und Trägerfrequenz nach der Trägerphasenkompensation
des komplexen Basisbandsignals 11 zur kohärenten Demodulation und dem anschließenden
Vergleich der kohärenten Auswertung mit der nichtkohärenten Auswertung läßt sich somit
das aus der Vorklassifikation bestimmte Modulationsverfahren einschließlich der dort
ermittelten Variante A oder B bestätigen oder widerlegen. Ein bestätigtes Modulationsverfahren
weist eine erhebliche Konfidenz auf.
[0048] Eine weitere Möglichkeit zur Verwendung von Vorkenntnissen sind Symbolfolgen, die
ebenfalls charakteristisch für bestimmte Modulationsarten sind. Bekannte Symbolfolgen
von Modulationsarten werden als Referenzsymbole in einer Datenbank gespeichert. Um
nicht sämtliche gespeicherten Referenzsymbolströme überprüfen zu müssen, wird zunächst
eine Vorauswahl aus den möglichen Referenzsymbolströmen getroffen. Eine solche Vorauswahl
wird aufgrund des Ergebnisses der Vorklassifikation durchgeführt. Eine weitere Reduzierung
kann mit Hilfe einer Autokorrelation erreicht werden.
[0049] Zur Durchführung der Autokorrelation werden zunächst die I/Q-Werte aus dem empfangenen
Signal 1 ermittelt und anschließend mit dieser komplexen Eingangsfolge eine Autokorrelation
durchgeführt. Das Ergebnis einer solchen Autokorrelation der komplexen Eingangsfolge
kann z.B. die in dem Diagramm 42 der Fig. 6 gezeigten Korrelationsmaxima im Abstand
von 960 Samples ergeben. Diese periodisch auftretenden Linien können für bestimmte
Rahmenstrukturen des empfangenen Signals typisch sein. Die Linienabstände der periodisch
auftretenden Linien können z.B. einen Interleaving Mode oder eine Teilstruktur eines
Datenrahmens wiedergeben, der einen Rückschluß auf ein bestimmtes Übertragungsverfahren
erlaubt.
[0050] Mit Hilfe der Kenntnis über die Linien einer Autokorrelation einer komplexen Eingangsfolge
eines Signals 1 ist es ebenfalls möglich, eine Untergruppe aus der gesamten Anzahl
möglicher Referenzsymbolströme auszuwählen. Weitere Kriterien zur Durchführung einer
Vorselektion sind die Bandbreite oder die Symbolrate, wie sie bei linearen Modulationsverfahren
bei der Durchführung der Vorklassifizierung ermittelt wurden.
[0051] Nachdem nun die Auswahl der möglichen Referenzsymbolströme getroffen wurde, wird
die Kreuzkorrelation zwischen dem komplexen Basisbandsignal 11 und den ermittelten
Referenzsymbolströmen durchgeführt. Der Verfahrensablauf ist schematisch in Fig. 5
dargestellt. Um die Datenraten zunächst aneinander anzupassen, werden sowohl der Referenzsymbolstrom
35 als auch die Eingangsfolge von I/Q-Werten 36 auf eine gleiche Abtastrate gebracht.
In Verfahrensschritt 37 wird hierzu ein sogenanntes Upsampling durchgeführt, das zu
einer zweifachen Überabtastung des Referenzsymbolstroms 35 führt. Entsprechend wird
auch für das komplexe Basisbandsignal 36 ein sogenanntes Resampling in Schritt 38
durchgeführt, so daß nun die beiden mit identischer Abtastrate vorliegenden Symbolströme
in Schritt 39 der Kreuzkorrelationsfunktion zugeführt werden.
[0052] Die Auswertung der sich ergebenden Linien erfolgt in Schritt 40. Der entsprechenden
Auswerteeinheit werden hierzu bekannte Linienabstände 41 zugeführt und es wird ein
Vergleich mit den Linien, die mittels der Kreuzkorrelation ermittelt wurde, durchgeführt.
Ein Ergebnis eines solchen Kreuzkorrelation ist beispielhaft in Fig. 6, in Diagramm
43 bzw. Diagramm 44, dargestellt. Während bei dem Diagramm 43 eine reduzierte Eingangsfolge
der Kreuzkorrelation zugeführt wurde, werden bei dem dritten Diagramm 44 zusätzliche
Signalabschnitte der Kreuzkorrelation zugeführt. Dementsprechend signifikanter ist
das Linienmuster in dem dritten Diagramm 44.
[0053] Zusätzlich zu der Kreuzkorrelation zwischen dem komplexen Basisbandsignal 11 und
dem komplexen Referenzsymbolstrom wird eine Kreuzkorrelation auch entweder mit der
konjugiert komplexen Eingangsfolge und dem komplexen Referenzsymbolstrom oder aber
zwischen dem komplexen Basisbandsignal 11 und dem konjugiert komplexen Referenzsymbolstrom
durchgeführt. Die Durchführung der Kreuzkorrelation mit einer konjugiert komplexen
Symbolfolge ermöglicht das Erkennen einer Kehrlage.
[0054] Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr
ist eine Kombination der einzelnen Merkmale der verschiedenen Beispiele in beliebiger
Weise möglich.
1. Verfahren zur Klassifizierung von digital modulierten Signalen mit folgenden Verfahrensschritten:
- Empfangen eines digital modulierten Signals (1)
- Erzeugen eines komplexen Basisbandsignals (11)
- Auswerten des komplexen Basisbandsignals (11) im Frequenzbereich und Vorklassifizieren
(10) des Signals (1) als erste Auswertestufe und
- Auswerten des komplexen Basisbandsignals (11) unter Verwendung von Vorkenntnissen
über mögliche Modulationsverfahren (14, 15, 16) und/oder Auswerten des komplexen Basisbandsignals
im Zeitbereich unter Berücksichtung von Ergebnissen der ersten Auswertestufe des komplexen
Basisbandsignals im Frequenzbereich (12, 13, 14) als zweite Auswertestufe.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass in der zweiten Auswertestufe zur Auswertung eine Autokorrelation einer Eingangsfolge
des komplexen Basisbandsignals (11) durchgeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass in der zweiten Auswertestufe zur Auswertung im Zeitbereich eine Kreuzkorrelation
(39) einer Eingangsfolge (36) mit einem komplexen Referenzsymbolstrom (35) durchgeführt
wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass in der zweiten Auswertestufe für das komplexe Basisbandsignal (11) eine Symbolrate
ermittelt wird und auf der Basis dieser ermittelten Symbolrate eine Eingrenzung möglicher
Referenzsymbolströme (35) erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass zum Erzielen einer synchronen Abtastung des komplexen Basisbandsignals (11) eine
Symbolrate aus einem Momentanwert im zeitbereich bestimmt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Bestimmung der Symbolrate und einer Abtastphase eine Regressionsanalyse auf Basis
von Symbollängen des komplexen Basisbandsignals (11) durchgeführt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass zunächst aus einem berechneten Spektrum des komplexen Basisbandsignals (11) eine
erste Symbolrate mit einer ersten Genauigkeit bestimmt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Bestimmung der ersten Symbolrate eine nichtlineare Operation eines Momentanwertes
des komplexen Basisbandsignals (11) durchgeführt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass als nichtlineare Operation eine Differenzwertbildung (21) durchgeführt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass zur Differenzwertbildung (21) verzögerte Momentanwerte verwendet werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass als Momentanwerte im Zeitbereich eine Momentanphase verwendet wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass als Momentanwerte im Zeitbereich eine Momentanfrequenz verwendet wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass ausgehend von dem Ergebnis der Vorklassifizierung (10) eine kohärente Demodulation
durch Zusetzen einer Trägerphase und einer Trägerfrequenz durchgeführt wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Vergleich zwischen einer spektralen Analyse eines ersten Phasen-Histogramms (30)
einer nichtkohärenten Demodulation und einer spektralen Analyse eines zweiten Phasen-Histogramms
(32) einer kohärenten Demodulation durchgeführt wird.
15. Digitales Speichermedium mit elektronisch auslesbaren Steuersignalen, die so mit einem
programmierbaren Computer oder digitalen Signalprozessor zusammenwirken können, dass
das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14 ausgeführt wird.
16. Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln, um alle Schritte gemäß einem der Ansprüche
1 bis 14 durchführen zu können, wenn das Programm auf einem Computer oder einem digitalen
Signalprozessor ausgeführt wird.
17. Computerprogramm mit Programmcode-Mitteln, um alle Schritte gemäß einem der Ansprüche
1 bis 14 durchführen zu können, wenn das Programm auf einem maschinenlesbaren Datenträger
gespeichert ist.
18. Computerprogramm-Produkt mit auf einem maschinenlesbaren Datenträger gespeicherten
Programmcode-Mitteln, um alle Schritte gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14 durchführen
zu können, wenn das Programm auf einem Computer oder einem digitalen Signalprozessor
ausgeführt wird.